現行蓄電池健康狀態的問題及智能蓄電池的應用

張永明 程 鵬 陳 炯 馮耀宇 張 宇

(昆明供電局 云南 昆明 650100)

以閥控式鉛酸蓄電池為主的備用電源常用于交通、通信、不間斷電源系統，為保護、照明等設備提供可靠的備用電源，尤其是電力直流系統，對閥控式鉛酸蓄電池的應用量巨大，通常成組批量應用，但在對蓄電池組的維護技術上有很大的欠缺.除了一些地區由于人力、設備等資源調配問題，無法保證基本的定期維護，使備用電源處于無管理無監管的狀態，即使有充足的人力物力完成規定的人工巡檢、定期核容放電等作業，依然無法確保每組、每節電池處于可控狀態，一些技術條件優越的站點，對電池加裝了遠程監測系統，也只能掌握電池的電壓、電流、環境溫度等易測量，僅對嚴重失效的電池有一定的監測效果，但依然無法準確判斷每節電池的健康狀態，對大部分健康狀況不佳的電池都沒有有效的監測作用，在線監測的意義大打折扣[1～4].

1 現行蓄電池健康狀態的問題

所謂電池的健康狀態即電池SOH(State of Health)，定義為當前電池有效容量與電池標稱容量的比值，作為準確判斷蓄電池健康狀態和荷電能力的參量對蓄電池狀態描述非常關鍵，也是目前對鉛酸蓄電池監測技術研究的重點內容之一，在應用中仍然處于理論和實驗階段，在實現精確、低成本、實時測量技術方面，仍需要大量的研究和實驗工作，也是本文研究的重點.目前蓄電池SOH估計算法較多，通常結合在線監測技術進行研究，相關物理量包括蓄電池的單體電壓、單體溫度、單體內阻、環境溫度，蓄電池組的電壓、電流，其中電壓包括開路電壓、浮充電壓、負載電壓等[5,6].

蓄電池開路電壓是指蓄電池在開路狀態下的端電壓.由于電池正負極板附著不同極性的離子，形成電勢差.因此，開路電壓由極板附著的不同極性的物質總量決定.

蓄電池浮充電壓是指蓄電池在浮充狀態下的電壓，浮充是電池充電狀態的一種情況，是指將滿電電池接入略高于電池端電壓的電路，用于防止電池自放電過程，蓄電池浮充電壓主要由接入的電路的總電壓決定.

蓄電池負載電壓是指電池在給負載供電時的電壓，電池供電(放電)能力越弱，負載電壓越低，因此負載電壓主要由電池的放電能力決定.

蓄電池單體溫度是指電池內部溫度，內部熱量交換和環境溫度都會導致內部溫度變化，由于內部溫度不宜測量，很多在線監測產品簡單地以環境溫度或蓄電池殼體表面溫度作為蓄電池內部溫度處理，并不合理.

蓄電池內阻用于描述電流流過電池內部受到的阻力，包括歐姆電阻和正負極阻抗，其等效電路如圖1所示，電池內部活性物質數量、接觸面積、電流流過的極柱、匯流排的電阻都是蓄電池內阻的影響因素[7～10].

圖1 電池內阻等效電路圖

圖1中Lp，Ln為正負極電感；Rtp，Rtn為電極離子遷移電阻；Cdlp，Cdln是極板雙電層電容；Zwp，Zwn是離子在電解液和多孔電極中的擴散速度決定形成的阻抗；RHF是蓄電池歐姆內阻.

電池劣化失效的根本因素分析如表1所示.

表1 電池劣化失效分析

從表1可知，我們從電池劣化的5個原因入手，分析電池劣化的過程，探究物理模型參數的變化.

綜上，盡管開路電壓、溫度、電流等對電池健康狀態有一定的影響，但幾乎所有導致電池失效的根本因素都伴隨著內阻的變化，也就是說內阻是目前研究分析的唯一能夠反饋電池內部變化的因素.

2 智能蓄電池結構及性能優勢

2.1 內阻測量辦法

內阻測量過程會引起電池短時放電，也是加速電池劣化的因素之一，在內阻測量方案的選擇上應充分考慮這一影響.在線內阻宜采用脈沖小電流法進行測量，為了提高內阻測量精度一般采用四線法，圖2(a)是四線法測內阻的原理圖.

圖2 內阻測量接線原理

圖2(b)是二線法測內阻的原理圖，圖中Rr為被測電阻，RW為線路阻抗，由于被測電阻非常小，所以線路阻抗不可以忽略不計.二線法測量回路中，共用線路導致電流經過線路阻抗RW時產生壓降，測得的電壓值為被測電阻加線路阻抗兩端的電壓值，計算得到的電阻值為Rr+2RW.

相對于二線法，四線法電壓與電流分別測量，由于測量電壓的回路阻抗非常大，相應的線路電流非常小，可以忽略不計，線路阻抗RW2不產生壓降，測得的電壓值即為被測電阻兩端電壓值，計算得到的電阻值為Rr.

2.2 智能蓄電池結構優勢

四線法在應用中，接線與極柱下端越近，測得的內阻值就越有價值.為此，我們提出基于智能蓄電池進行蓄電池在線監測技術的研究，通過對電池的結構進行改造創新，增加電池智能芯片倉，與電池兩極柱在空間上直接相通，將內阻監測芯片和相關線路集成置于智能芯片倉，對外增加通信接口，使其具備自我監測和通信功能.

如圖3所示，普通蓄電池(a)與智能蓄電池(b)采用四線法測量電池內阻的誤差對比，采用普通蓄電池測量點位于極柱螺柱突出部分上方與螺栓之間，電壓監測線路一般通過接線線鼻子穿過螺栓，螺栓通過螺紋與極柱接觸，從線路連接點至極柱內部之間包括電壓測量線路接觸電阻R0v，電流測量線路接觸電阻R0i，螺栓接觸電阻RL，線路與螺柱實際接觸點a到b點之間的電阻Rab，極柱螺栓突出部分電阻Rbc，極柱澆注絕緣層部分電阻Rcd；而采用智能蓄電池測量點位于螺柱澆注層下方，只存在電壓測量線路接觸電阻R1v，電流測量線路接觸電阻R1i.

圖3 普通蓄電池與智能蓄電池測量內阻誤差對比

測量內阻時，電壓測量回路位于靠近電池內部的一方，較大的測量電流并不通過電壓測量線路接觸電阻，因此接觸電阻對測量結果不產生影響.智能蓄電池相對比普通蓄電池而言，減少了電阻Rab，Rbc，Rcd和RL的影響，因此更加精確.

3 智能蓄電池監測技術的應用及前景

我們采用保定鈺鑫電氣科技有限公司生產的具備運行工況自我監測功能以及通信功能的智能蓄電池[12]，其內阻測量絕對誤差能夠控制在3～5 μΩ(2 V單體蓄電池)，并基于智能蓄電池數據和運行老化情況展開電池健康狀態研判與評估研究.

我們將同一批次的智能蓄電池放置在不同的環境下進行老化測試，通過阻變化趨勢評估額定環境下的正常蓄電池、自然劣化狀態下的正常蓄電池、自然環境下的落后蓄電池.同時通過定期對被測電池進行容量核定測試，通過實驗數據分析，內阻的變化趨勢與電池的健康狀態評估、趨勢變化評估有很強的相關性，以內阻變化趨勢表示電池健康程度變化趨勢具備一定的科學性，前提是內阻測量精度足夠精確，能夠明顯感知到相應的劣化變化.

智能蓄電池在應用方面還具備溫度觸點可內置、電池組接線更便捷等優點，其一體化設計意味著自電池生產出廠之日起，伴隨著電池內阻測量記錄和數據，與電池存在捆綁關系，可以通過軟件將其與電池的其他信息例如廠家、型號、批次、工藝等相關聯，具備物聯網基礎，獲得電池的全壽命數據，能夠很好地應用在大數據體系中，使電池測量數據發揮更大的作用.

4 總結

本文通過分析蓄電池健康狀態與電池內阻的本質關系，提出蓄電池評估最關鍵的技術在于蓄電池內阻的高精度、低影響度測量，同時基于智能蓄電池具備的高精度內阻測量技術對電池進行分組劣化實驗驗證了這一基本觀點，為電池健康狀態評估方法提供了一種新方法，具備較高的研究借鑒意義.